エンタープライズストレージネットワークはどのように進化しているか

CXL や NVMe-oF などの先進テクノロジーがデータセンターのストレージネットワークの革新と変化を推進

Author イムラン・ヒラニ | 2023 年 3 月 6 日 | 全て, 企業, テクノロジー

ネットワークは当初からデータセンターの重要な要素でした。システムがエンタープライズエコシステム全体でリソースをどのように接続するかによって、システムの効率と効果が大きく変わります。

過去 10 年ほどにわたって、エンタープライズデータセンターは、クラウド、エッジコンピューティング、コンテナ化、クラウドネイティブコンピューティングなどの多くの技術進歩に対応して急速に進化してきました。競争力を維持するには、組織は高度に自動化され、システム全体で効率的かつ迅速にデータを移動できる、スマートで柔軟なストレージアーキテクチャを導入する必要があります。

この記事では、急速な成長を促進する 2 つの具体的な要因を見ていきます。データセンターストレージの進化ネットワーキング：

コンピューティングエクスプレスリンク (CXL)

CXL は、メモリをサーバーおよびストレージ内のタスクの処理にリンクするオープン標準のキャッシュコヒーレントインターコネクトです。これは、しばらくの間標準となっている、すでに高速な PCI Express (PCIe) インターコネクト上に構築されています。

最新の PCIe イテレーションである Gen5 では、CPU と周辺機器を最大 32 ギガ転送/秒 (GT/s) の速度で接続できる可能性があります。ただし、PCIe には、今日のデータアクセス速度の妨げとなるいくつかの制限があります。それらの制限の 1 つは、メモリの分離されたストアをあまり効率的に管理できないことです。もう 1 つは、PCIe の遅延が高すぎて、複数のデバイス間でメモリを効率的に共有できないことです。

これを考慮してください。今日のサーバーの多く、特にハイパースケーラーのサーバーには、独自のオンボードメモリを備えたコンポーネントが含まれています。ホストプロセッサに接続されているメインメモリの他に、スマート NIC、GPU、ストレージ SSD が存在する場合もあります。これらのデバイスにはメモリキャッシュが搭載されていますが、場合によっては十分に活用されていないことがよくあります。つまり、システム全体で、多くのメモリがアイドル状態になっているということです。未使用のメモリを何千台ものサーバーで増やすと、その量は膨大になります。通常、これらのキャッシュは、接続するツールがない限り対話できません。

CXL はこれらの制限を克服します。ストレージクラスメモリが多数の処理ノードを適切に処理できないという問題に部分的に対処するために開発された CXL は、PCIe の物理接続層と電気構成を利用しますが、メモリからデータにアクセスする際の遅延が大幅に低くなります。ホストサーバーと他のデバイスの間にキャッシュの一貫性が提供されるため、システム全体のメモリが単一のアクセス可能なプールとして扱われます。これらのメモリプールは容量を大幅に増加させることができ、CPU および GPU プロセッサ、計算ストレージ、インテリジェントネットワークインターフェイスカード (NIC) に直接リンクできます。

CXL 互換システムの立ち上げが始まったばかりで、このテクノロジーはプラットフォームとデータセンターの設計と運営の方法を変革する可能性を秘めています。業界は、各ノードが独自のメモリと処理を持つという概念から徐々に移行し、任意の数の GPU、CPU、およびプロセッサを含むエコシステム全体にサービスを提供する、大きな単一のメモリプールからワークロードにリソースを割り当てる分散インフラストラクチャを支持します。計算ストレージ。これにより、組織は大容量のメモリを備えたデータセンターを構築できるようになります。

CXL の利点

CXL を使用すると、組織はストレージ、コンピューティング、メモリ、ストレージクラスメモリ間の独自の相互接続に制限されなくなり、複数のプロセッサが以前よりも大きなメモリプールを共有できるようになります。

CXL を使用すると、組織は DRAM を超える容量と帯域幅を実現できます。 CXL に接続されたデバイスを使用して、CPU または GPU ホストプロセッサにメモリを追加できます。これは、CPU と GPU が DRAM 速度でテラバイトのストレージにアクセスできることを意味します。

ストレージと DRAM のレイテンシは実際には比較できませんが (たとえば、それぞれ 80 マイクロ秒と 0.25 マイクロ秒)、すべてを DRAM に移動する実際の必要性はありません。 CXL を使用すると、システムは CPU に組み込まれた既存のメモリ階層を介して SSD から必要なデータをフェッチできます。つまり、10 ～ 20 マイクロ秒の遅延が追加される可能性があるファイルシステムや付随するすべてのレイヤーが必要ありません。

もちろん、ファイルシステムは一般的なコンピューティングにとって貴重な目的を果たしているため、すぐになくなることはありません。しかし、CXL を使用すると、組織は DRAM の数分の 1 のコストでコンピューティング機能を強化する SSD ストレージデータのプールを作成できます。そのため、組織は 128 GB の DRAM に収まるデータセットに限定されるのではなく、PCIe Gen6 速度で実行される数百 TB の NVMe SSD ストレージを保有できるようになりました。

CXL のその他の利点は次のとおりです。

- - メモリを大量に使用するアプリケーション向けに設計されたオープンソースの業界標準
  - ヘテロジニアスコンピューティングを可能にし、オンプレミスとクラウドプラットフォーム全体でのリソース使用率を向上させます。
  - サーバーとアプリケーション間でのデータの高速かつ効率的な共有を可能にすることでコラボレーションを強化します。
  - チームが同じメモリ内データセット上で同時プロセスを実行できるようにします

CXL の使用例

CXL はシステム全体にわたる大規模なメモリプールを可能にするため、大量のメモリ内データを必要とするワークロードに最適です。これらのワークロードには次のものが含まれます。

- - AI、機械学習、データ分析 – ディープラーニング、インタラクティブな統合開発環境 (IDE) のトレーニング
  - オンライントランザクション処理 (OLTP) およびオンライン分析処理 (OLAP)
  - メディアとエンターテイメント - グラフィックシミュレーション、レンダリング、特殊効果
  - 遺伝子研究 – 配列決定およびアセンブリ分析
  - 電子設計自動化 (EDA) およびコンピュータ支援エンジニアリング (CAE) – モデリングとシミュレーション
  - 金融サービスアプリケーション – 意思決定と分析のサポート
  - ハイパフォーマンスコンピューティング - モデリングとシミュレーション
  - クラウド – カーネル仮想マシン (KVM) のスナップショット、フォールトトレラントではないワークロードのアドホックインスタンス

ハイパースケーラーやクラウドサービスプロバイダーは、その超高速スケーリングとプロビジョニング機能により、CXL に引き寄せられる可能性があります。

NVMe オーバーファブリック (NVMe-oF)

ストレージエリアネットワーク (SAN) のトランスポートプロトコルは、時間の経過とともに大幅に進化しました。 HDD ベースの SAN に接続するために、iSCSI、シリアルアタッチド SCSI (SAS)、ファイバーチャネルプロトコル (FCP) などのさまざまなプロトコルが開発されました。これらのプロトコルは HDD には十分なパフォーマンスを提供しましたが、SSD には十分ではありませんでした。 HDD を SSD に置き換えることで HDD のボトルネックが解消された後は、プロトコル自体がボトルネックになりました。 NAND フラッシュベースのストレージには、組織がテクノロジーのメリットを最大限に享受できるよう、さらに何かが必要でした。

データのプールのサイズが大きくなるにつれて、物理的距離が約 100 フィートの場合でも有効な PCIe ファブリックを介して接続できるとは限りません。それを超えて、何か別のことが必要です。そこで、NVMe over Fabrics (NVMe-oF) が登場します。このプロトコルは、ホストサーバーとソリッドステートストレージまたはその他のデバイス間、またはファブリックとも呼ばれる拡張ネットワーク上でのデータ転送を可能にするメッセージング層として機能します。

NVMe-oF は、フラッシュまたはその他の SSD ストレージを使用するブロックストレージに最適です。これは、高いパフォーマンスを備えた低遅延を実現するだけでなく、シンプルなスケーラビリティと、ファイバーチャネル、iWARP、InfiniBand、RDMA、RoCE (RDMA over Converged Ethernet)、TCP/IP という 4 つの主要なネットワークプロトコルのサポートを実現します。 NVMe-oF はオーバーヘッドがはるかに少ないため、ネットワーク接続ストレージ (NAS) よりも優れています。現在では、距離が PCIe に対して大きくなりすぎると、遅延の観点からはこれが可能な限り良好になります。

図 1. NVMe-oF の仕組みを図で表したもの。（ソース： NVMExpress.org)

NVMe-oF の利点

NVMe-oF は、ダイレクトアタッチドストレージ (DAS) と同様の、低遅延の高性能ストレージネットワークを作成する機能を提供します。つまり、システム全体のサーバーが必要に応じてフラッシュデバイスを共有できるということです。基本的に、組織は共有ストレージまたはネットワークストレージの利点と組み合わせて、フラッシュベースのアレイの高速パフォーマンスを得ることができます。

NVMe-oF を使用すると、組織はサーバーから分離され、単一の共有プールとして管理されるストレージシステムを作成できます。つまり、IT 部門はストレージリソースをこれまでよりもきめ細かく柔軟にプロビジョニングできるようになります。

その他の利点は次のとおりです。

- - 超低遅延
  - サーバーアプリケーションとストレージ間の接続の高速化
  - CPU 使用率の向上
  - 稼働率の向上
  - 管理が容易になる
  - 全体的なパフォーマンスの向上
  - 追加の並列リクエスト
  - 冗長性と復元力の向上

NVMe-oF の使用例

NVMe-oF プロトコルは、ネットワーク経由でストレージからフラッシュメディアにデータを移動するあらゆるユースケースに最適です。現在、多くの組織が、AI や機械学習、データ分析、ハイパフォーマンスコンピューティングなど、高いパフォーマンスが重要な場合に NVMe-oF を使用しています。トランザクションワークロードにも適しています。

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